連續(xù)玻璃纖維增強聚丙烯復合材料板材彎曲性能研究*

熊 鑫，蒲 穎，鄧榮堅, 宋 威，范欣愉

廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510000

連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料是以熱塑性樹脂為基體，連續(xù)纖維為增強材料，樹脂基體包括PP，PE，PA和ABS等，增強纖維可以是碳纖維、玻璃纖維等．與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料不僅具有較好的耐腐蝕性，還有較高的抗沖擊性能和較高的損傷容限．熱塑性復合材料產品具有生產加工周期短、可連續(xù)化生產、環(huán)境污染小，能夠反復成型和回收利用的優(yōu)點[1-4]．

與傳統(tǒng)的熱固性復合材料相比，國內熱塑性復合材料應用范圍很有限，局限在汽車行業(yè)的“有機板”、RTP增強管道及內襯板等方面[5-7]．國內對熱塑性復合材料研究主要集中在浸漬技術及成型工藝等方面，缺少一些基礎性的研究數(shù)據(jù)[8-12]．通過研究連續(xù)玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的彎曲性能，考察熱塑性預浸料配方中相容劑(PP-g-MAH)的合適用量，以及不同溫度、不同鋪層方案對復合材料板材彎曲強度和彎曲模量的影響，為熱塑性復合材料的應用提供基礎性的數(shù)據(jù)．

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗中使用的原材料列于表1．

表1 原材料

1.2 試樣制備

以PP樹脂為基體，加入一定量的相容劑PP-g-MAH，采用強制熔融浸漬法生產連續(xù)玻璃纖維增強PP單向預浸料(Unidirectional Tape，UD Tape)，預浸料的玻纖質量含量為70%，生產的預浸料厚度規(guī)格分別為0.15，0.25和0.50 mm．按照一定的鋪層方案，用熱壓機復合成板材，復合溫度為180 ℃、熱壓速度為3 m/min．試驗用的實芯和夾芯的板材結構如表2所示．

表2 實芯板和夾芯板的結構

1.3 彎曲性能測試

使用CNC裁切設備將板材裁切成樣條，裁切尺寸為75 mm×15 mm，跨距為60 mm，規(guī)定板材面層纖維方向為0°方向．彎曲測試的樣條如圖1所示．

圖1 彎曲測試試樣Fig.1 Bending test specimens

按照標準ISO 14125進行彎曲測試試驗，為保證試樣能夠達到指定溫度，保溫時間不少于20 min．將試樣放置高溫彎曲測試設備中，在進行高溫彎曲測試過程中關閉保溫箱．高溫彎曲測試設備如圖2所示．

圖2 高溫彎曲測試設備Fig.2 High temperature bending test equipment

1.4 主要設備

強制熔融浸漬法的連續(xù)纖維增強熱塑性預浸料生產設備，為廣州金發(fā)碳纖維新材料發(fā)展有限公司自研；熱塑性復合材料熱壓機，Meyer Laminating Machine KFK-X 1900；CNC裁切設備，型號DM1325，鼎申數(shù)控制造；彎曲測試用的高低溫萬能材料試驗機，型號UTM16539，深圳三思縱橫科技股份有限公司制造．

2 結果與分析

2.1 PP-g-MAH含量對復合板材彎曲性能的影響

研究PP-g-MAH用量對連續(xù)玻璃纖維增強PP復合材料板材彎曲性能的影響，試驗板材為實芯板．試驗只測試0°方向的數(shù)據(jù)，樹脂體系中PP-g-MAH的含量分別為0，1.5%，3.0%，4.5%和6.0%，測試結果如圖3所示．

從圖3可見：當PP-g-MAH含量在0～3.0%時，彎曲強度迅速升高，說明PP-g-MAH能有效改善玻璃纖維和PP樹脂的結合性能，提高彎曲強度；當PP-g-MAH含量達到3.0%以上時，彎曲強度緩慢增加，此時過量的PP-g-MAH僅僅充當了樹脂成份，提高板材彎曲強度能力有限．因此，PP-g-MAH最佳含量為3.0%～4.5%．從圖3還可看出，PP-g-MAH含量對彎曲模量影響不大，這是因為玻璃纖維是剛性材料，彎曲應力主要靠玻纖承擔，復合板材的彎曲模量主要受玻纖含量的影響較大．

圖3 PP-g-MAH含量對復合板材彎曲性能的影響Fig.3 The effect of PP-g-MAH dosage on the bending properties of composite sheet

2.2 溫度對復合板材彎曲性能的影響

研究了實芯板和夾芯板在不同溫度條件下彎曲性能，試驗只測試了0°方向的數(shù)據(jù)，彎曲強度的測試結果如圖4所示．從圖4可見：隨著溫度的升高，實芯板和夾芯板的彎曲強度都有不同程度的降低；當溫度為90 ℃和120 ℃時，實芯板的彎曲強度分別比常溫降低了39.07%和61.85%，而夾芯板的彎曲強度分別比常溫降低了65.90%和72.15%．這是因為熱塑性復合材料樹脂基體受熱“軟化”，導致復合板材的彎曲強度降低，尤其是夾芯板中有PP板，造成玻纖含量比實芯板更低，因此溫度對夾芯板的彎曲性能影響更明顯．

圖4 不同溫度下復合板材的彎曲強度Fig.4 Bending strength of composite plates at different temperatures

圖5為不同溫度下復合板材的彎曲模量測試結果．從圖5可見，當溫度為90 ℃和120 ℃時，實芯板的彎曲模量比常溫下分別降低了18.08%和21.09%，而夾芯板分別降低了19.44%和37.61%．與彎曲強度的情況類似，溫度對夾芯板的模量影響也顯著．

圖5 不同溫度條件下的復合板材彎曲模量Fig.5 Bending modulus of composite plates at different temperatures

2.3 復合板材的鋪層結構對彎曲性能的影響

研究室溫條件下復合板材的鋪層結構對彎曲性能的影響，測試了復合板材0°和90°方向的彎曲強度．試驗用的預浸料中玻纖質量分數(shù)為70%，厚度為0.25 mm和0.50 mm，復合后的實芯板材厚度為2 mm．鋪層結構設計有4種方案(表3)．

圖6為不同鋪層方案復合板材的彎曲強度．從圖6可以看出：無論哪種鋪層方案，復合板材在0°方向的彎曲強度均高于90°方向的；與其它方案對比，方案1和方案4的復合板材的彎曲強度在兩個方向差別更明顯，0°方向的彎曲強度比90°方向的分別高出250%和277%．這是由于復合板材的彎曲強度與預浸料的厚度和鋪層結構有關，方案1和方案4復合板材的0°均分布在外層，根據(jù)彎曲應力的分布特點可知，距離中面越遠承受的彎曲應力越大，從而獲得更高的彎曲強度．同時，從圖6還可看出，在對應的方向上，方案4的板材彎曲強度整體高于方案1的．方案1用的單層預浸料的厚度為0.50 mm，而方案4的單層預浸料的厚度為0.25 mm，雖然鋪層結構比較接近，但由于0.50 mm預浸料的浸漬效果明顯比0.25 mm的差，導致方案1的復合板材有很多缺陷，從而使彎曲強度偏低．

方案2、方案3和方案4均選用厚為0.25 mm的預浸料，且具有相同比例的0°和90°鋪層，但是彎曲強度仍呈現(xiàn)出不同的特征．這是由于方案4中0°鋪層靠近外層，90°鋪層均在內層，導致兩個方向上的彎曲強度差異最大．而方案2和方案3分配一部分90°鋪層在外側，減少了兩個方向上的彎曲強度差異，尤其是方案3平衡了兩個方向上的彎曲強度，0°方向的僅比90°高12.8%．

圖6 不同鋪層方案復合板材的彎曲強度Fig.6 Bending strength of composite plates with different lamination schemes

圖7為不同鋪層方案復合板材的彎曲模量測試結果．從圖7可見，整體來說，0°方向的彎曲模量高于90°方向的，尤其是方案1和方案4，0°方向的彎曲模量分別是90°方向的7.13倍和4.35倍．復合板材中單層對彎曲剛度系數(shù)的貢獻與單層到中面距離的三次方成正比[13]，因此彎曲模量受鋪層結構的影響很大，四個鋪層方案的彎曲模量與彎曲強度表現(xiàn)出相似的變化特征．

圖7 不同鋪層方案彎曲模量Fig.7 Bending modulus of different lamination schemes

3 結 論

(1)添加相容劑PP-g-MAH能提高復合材料板材的彎曲強度，但對彎曲模量影響不大，PP-g-MAH的合適用量是樹脂基體的3.0%～4.5%．

(2)溫度升高到90 ℃和120 ℃時，復合材料板材的彎曲強度和彎曲模量均降低．尤其是復合材料夾芯板，由于玻纖含量相對較低，溫度升高后其強度和模量降低的幅度更大．

(3)不同的鋪層結構對復合板材彎曲強度和彎曲模量影響較大，0°方向的彎曲強度和彎曲模量均高于90°方向的．